胎盘与胎儿神经系统发育相关性研究进展综述

摘要：

据了解，有相当一部分的早产儿会由不同程度的神经发育障碍。人们观察到，胎盘生理功能变化往往会与许多导致早产或神经发育不良的风险因子（例如宫内感染胎儿生长受限）同时出现。这篇综述重点阐述了导致不良儿童神经发育结局的潜在机制，识别导致不良神经发育结局的生物标志，当中包括胎盘的大体形态、组织病理学结构以及产前感染的炎症反应。

我们将会进一步说明胎盘作为关键屏障的作用，它能够阻隔来源于母体并作用于胎儿正常大脑发育，对神经元增殖、轴突生长、髓鞘形成细胞凋亡调控起关键作用的神经活性类固醇激素和神经营养因子的生物活性物质（例如皮质醇），使其不能传递给胎儿。

文章还将讨论支持异常胎盘生物标志对预测早产和足月产儿不良神经发育结局有潜在效用的新兴数据。这些数据包括对遗传变异的评估（例如胎盘中的单核苷酸多态性）和表观遗传学生物识别标记（例如胎盘微小RNA和胎盘DNA甲基化）。胎盘中，调节胎儿环境并伴随基因和表观遗传变化等胎盘生理功能变化的关键组织可能利于我们预测婴儿将来的健康状况。这可能促进针对性地分配卫生资源，并使我们朝着提高终身神经发育能力的目标前行。

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早产和足月产儿的神经发育

每年全世界估计有1500万未发育成熟（孕37周以下）的婴儿出生。接近40%的早产儿有不同程度的神经发育障碍。极早产儿、晚期早产儿和足月产儿同样可能出现不良神经发育结果，他们的学习、运动、听力、视力以及行为和认知能力有不同程度的下降。这些儿童更可能在社会、情绪、学术、就业、社会经济和生理健康等方面存在差异5，并可能引发两代之间的遗传差异。

胎盘是早期婴儿风险的新型标志的来源，能够帮助了解不良神经发育结果的生理学机制。我们回顾了与儿童不良神经发育结果相关的胎盘生理功能变化，并附上对潜在生物标志的讨论。

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胎盘组织病理学与幼儿神经发育

胎盘的形态、组织病理学特征与大量不良胎儿、新生儿结局相关，其中包括胎儿宫内发育迟缓（IUGR）和早期大脑损伤。一项系统回顾提出，上行宫内感染伴随脐带炎是与早产和足月产儿不良神经发育结局（包括18月龄和2岁时出血、中重度精神运动障碍、语言能力异常和听力损失）相关性最高的胎盘特征6。而足月产儿、早产儿血管坏死、绒毛膜血管血栓和胎儿宫内缺氧与不良结果相关。Collaborative perinatal project对超过四万儿童进行了神经发育随访研究，发现胎盘扰动会增加8月龄异常的Bayley运动和精神指数、四岁时异常IQ得分（<70）的风险。

不良运动结果分短期（例如较低的运动得分）和长期（例如脑瘫）。人们对比了有无患脑瘫（或其他非进步运动障碍）的胎儿的胎盘，发现严重绒毛膜羊膜炎、广泛绒毛缺血和弥漫性绒毛膜羊膜血铁质都与发育缺陷存在关系。通常在胎盘有近期或远期损伤（即在孕期和围产期）时观察到的风险最大，说明不良神经发育结局可能是孕期多种状况的整合造成的。

 

胎盘组织病理学的变化以IUGR为标志。大量IUGR新生儿的胎盘发生梗死，导致合胞体打结增加、绒毛纤维蛋白沉积、胎盘膜绒毛外滋养细胞积累和绒毛成熟加速。这与子宫-胎盘血流受损或灌注不良存在一致性。死产IUGR胎儿的死亡分析显示，胎盘梗死与胎儿大脑缺血损伤之间存在联系，但与绒毛成熟加速和IUGR存活儿童在4月龄和12月龄时的神经发育结局之间没有相关性。胎盘形态学改变能反映出对胎儿短期（立即）的影响，这些影响在产后会消失。

 

由于目前缺乏常规胎盘组织病理学检查（特别是对足月产婴儿），并且神经发育随访存在限制（甚至包括早产儿），胎盘形态、组织病理学可能会与儿童神经发育结局不一致。

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胎盘功能改变和幼儿神经发育

3.1产前感染和胎盘炎症

产前感染与脑瘫、认知延迟和行为、社交和精神健康紊乱（例如精神分裂、双相情感障碍和自闭症）风险增加之间存在联系。产前炎症暴露会导致许多认知过程的缺损，例如大鼠的空间学习能力和小鼠的线索相关的学习能力和工作记忆。感染或炎症会增强胎盘和胎膜中细胞因子的表达，导致小胶质细胞和星型胶质细胞活化增加、轴突生长损伤以及胎儿大脑巨噬细胞浸润。促炎症反应因子会增加血脑屏障的渗透性，使进入胎儿神经室的白细胞增加。

人们利用细菌类似物（例如脂多糖 LPS）评估胎盘炎症与后代行为间关系。向怀孕小鼠注射LPS后，其胎盘变小，并出现炎症细胞浸润和促炎症反应因子焦点离散区，限制营养物和代谢废物的交换。而LPS致伤4小时后，大鼠胎儿大脑出现超过3000个基因表达差异，包括神经发生、神经元迁移和轴突生长等最高级别功能。出生前小狗的海马回髓鞘损伤，成年后社会偏好缺陷，动机行为减少。

啮齿类动物足月和未足月胎盘对LPS敏感性存在差异。早产儿（怀孕第16天）和足月儿（怀孕第20天）的胎盘都在注射LPS后出现肿瘤坏死因子α（TNFα），早产儿胎盘中更多。而只有早产儿胎盘的NFkB和IL6增多。在怀孕第15天（18.5天时不出现此现象）LPS暴露会导致早产几率增加30%，胎盘和大脑细胞因子mRNA表达和亲小突胶质细胞增多。综上所述，早产阶段胎盘对炎症的敏感性更高。

 

3.2过量皮质醇暴露

皮质醇通过11Βhsd2酶代谢至其非活性形式，胎盘在此过程发挥着关键作用。灵长类动物和啮齿类动物（通过产前压力使用11βHSD2基因敲除小鼠、屏蔽胎盘11βHSD2活动、或直接糖皮质激素管理）皮质醇暴露的增加会改变神经发育过程，包括在后代新生儿期、婴儿期与成年期所发现的运动与认知缺陷（注意力、神经运动能力和学习）、焦虑、应力行为和结构改变增加。

在早产并暴露绒毛膜羊膜炎的胎盘中，11Βhsd2的表达和活动减少，胎儿暴露过量皮质醇。人类原发性胎盘滋养层培养和绒毛膜羊膜细胞（JEG-3）暴露于TNFα和IL1β后，11Βhsd2的表达和活动都有减少。宫内感染可能会增加胎儿暴露于促炎症反应因子和过量皮质醇的可能性，并影响其大脑发育。

胎盘屏障也受通过外排作用和内源性底物（包括糖皮质激素）回到母体循环当中的多种耐药蛋白维持。表达最多的是多重耐药基因产物1（MDR1）和P-糖蛋白（P-gp）。而在人类胎盘中，P-gp与后代神经发育结局之间不存在直接联系，但生长减少和绒毛膜羊膜炎的病例中观察到P-gp发生改变。小于胎龄的早产儿的胎盘P-gp表达减少，而早产绒毛膜羊膜炎的胎盘与P-gp Mrna和蛋白质表达的增多相关。

 

3.3神经甾体和神经营养因子

胎盘对调节胎儿神经活性甾体暴露有关键作用，神经活性甾体能够胎儿调节神经胶质细胞增殖、轴突生长、髓鞘形成、抑制兴奋毒性和细胞凋亡。胎盘能合成神经保护甾体，通过5α还原酶1和2以及3α羟基类固醇脱氢酶的表达，将孕酮转变成神经保护皮质醇别孕烯醇酮。胎盘5α还原酶在孕期会增加，但暴露于宫内不良情况后会减少。胎盘5α还原酶的减少，可能导致激素诱导神经蛋白减少。在天竺鼠孕晚期时，通过非那司管理提抑制别孕烯醇酮的母鼠的后代中发现过这种情况,这种抑制会导致星形胶质细胞激活延长以及小脑中GABA-α受体表达减少。

神经营养因子对神经发生、神经发育、分化、存活和维持起重要作用。神经营养因子家族包括脑源性神经营养因子（BDNF）、神经生长因子（NGF）、神经营养因子3（NT-3）和NT-4/5。自闭或智力缺陷的孩子的脐带血中，BDNF的水平比没有患病的孩子高。然而中重度血管内溶血（P/IVH）的早产儿脐带血中BDNF水平更低。

孕晚期暴露于LPS的母鼠胎盘NGF增多。胎盘BDNF水平保持不变，但在暴露24小时后，母体血液循环中水平上升，胎儿大脑中水平下降。小鼠孕晚期宫内感染（E COLI管理）后，观察到长达7天的BDNF水平上升。相反，对怀孕dam进行聚酯纤维（i:c）管理会使其胎盘BDNF和NGF蛋白水平下降，但不改变母体循环、胎儿大脑BDNF浓度和新生儿在产后第一天和第七天的水平。

胎盘能够从头生产神经营养因子，也能够通过母体的神经营养因子。纯合子变异BDNF阻断小鼠大脑中的BDNF蛋白模式与孕早期(13.5-14.5天)野生型胎儿相似，由此推测，母体BDNF在此时间点转运给胎儿。在BDNF阻断小鼠胎儿中，这些蛋白质的水平随着孕龄增长保持不变，而野生型小鼠的蛋白质水平有所下降。对怀孕老鼠在孕期第14.5天进行低剂量（0.1ug）或高剂量（1ug）的BDNF管理会导致胎儿大脑中剂量依赖的浓度上升，尤其是在在母体暴露十分钟后，这表明胎儿通过胎盘转运母体BDNF。

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我们能够使用胎盘生物

标记预测不良神经发育结局吗？

目前，早期预测不良神经发育结局最好的方法是识别临床和社会风险因素（早产、IUGR、父母受教育水平较低以及社会经济地位等）、早期神经影像检查和新生儿甄别试验，后两种方法仅用于存在导致缺陷的临床风险的新生儿。这些方法精确性受限。在3个月龄时进行rechtl‘sgeneral movements对预测脑瘫有很高的可靠性，但是不能评估行为的结局。利用新生儿重症监护网络的神经行为量表(NNNS)对早产儿进行行为评估能够提供一些对两岁时神经发育结局的洞察。

NNNS更高质量的运动结果与18-24个月更高的bayley’精神运动发展指数和四岁时运动和语言领域更少的缺陷相关。

我们将回顾一些说明了胎盘生物标记对预测不良结果潜力的相关文献。这个领域的大部分研究都专注于对与不良儿童结局相关基因变体（例如单核苷酸多态性，SNPs）或表观遗传生物标记（例如微小RNA和DNA甲基化）的评估，但大多只处于理论层面。

4.1胎盘单核苷酸多态性

不是所有炎症暴露的儿童都会发生不良结局。基因编码炎症蛋白导致蛋白生产或功能发生改变。基因多态，例如SNPs，可能改变炎症细胞因子对炎症的免疫应答，造成大量后期损伤。IL1B和IL6促进剂区域的SNPs与白质发育损伤相关。在一项控制变量实验中，研究人员将细胞因子系列中的SNPs在胎盘组织、脐带血中进行基因分型，并在贝利婴幼儿发展量表（第二版）中评估与精神和精神运动发育指标（MDI和PDI）。在调整其他潜在混杂因子（孕龄、吸烟、性别、种族、母亲受教育水平和类固醇治疗）后，神经发育延迟（MDI和PDI均低于85）的儿童有三倍携带IL6-176 SNP（rs2234683）次要等位基因的可能性。人们将这些SNPs与高水平IL1β和IL6联系起来，应答炎症制造更多细胞因子可能使细胞因子介导的大脑损伤更为敏感。类固醇能有效抗炎，但重复疗程可能减少细胞因子产生或是IL6基因失去活性。人们发现类固醇与IL-176 SNP的相互作用，次要等位基因神经发育延迟在接受了单一类固醇疗程的携带者中发现更多。IL6-176 SNP携带者中，重复糖皮质激素治疗会减少炎症的数量。没有发现IL1B基因中SNPs与产前皮质醇疗程之间存在相互作用，说明这是特定的基因环境效应。

 

4.2 胎盘微RNA

人类胎盘表达大约600种不同的miRs，有一类专门作用于妊娠组织的。miRs主要在妊娠第一阶段调节血管生长和细胞存活，而调节细胞分化的主要在妊娠第三阶段起作用。大部分的miRs都是在C19MC染色体组上编码，并组成最大的人类miRs组。这些miRs在胎盘和来自病理妊娠（包括先兆子痫、缺氧引起胎儿生长受限和早产）的血浆中表达存在差异。

一项研究评估了胎盘miRs的表达在新生住院期间与NNNS表现得分之间关系。结果显示miR表达有特定的改变。高水平的胎盘miR16表达水平与较低注意力得分相关。MiR146a和miR182表达水平的增加与运动质量上升相关。

 

4.3胎盘DNA甲基化

迄今为止，大部分研究使用针对性手段评估参与糖皮质激素代谢基因中的DNA甲基化。研究对象包括基因编码糖皮质激素受体（NR3C1）和11Βhsd2（HSD11B2）。其中大部分只评估了极早期的新生儿神经行为指数。源于索德岛的儿童健康研究探索将其运用于长期预测，并将胎盘甲基化与NNNS新生儿行为得分联系起来。足月产儿胎盘NR3C1 CpG2的DNA甲基化水平升高与出生第一天更严重的嗜睡、肌张力低下和更低的自我调节分数相关。NR3C1基因甲基化的位点可能是决定新生儿结局的关键因素。例如，NR3C1 exon1F promotor区域中，CpG位点6、7和8甲基化与运动分数上升相关，CpG位点10甲基化水平上升与新生儿适应性（一个预测新生儿适应环境能力的量度）相关。相反，CpG位点5甲基化水平越高，应力节制分数越低。NR3C1基因（rs41423247）中存在SNP并伴随NR3C1 econ1F中所有甲基化水平上升与新生儿注意力分数较低相关。

HSD11B2的DNA甲基化情况与不良新生儿神经行为结局相关。胎盘HSD11B2甲基化水平升高与新生儿更严重的肌张力低下相关与更坏的新生儿运动质量相关。NNNS中，运动的质量、入学准备度、脑瘫行为问题和4-5岁时智商是在24个月时贝利精神运动发展指数中良好的预测工具。SD11B2甲基化水平上升与11Βhsd2 Mrna表达水平下降相关，这会导致发育中胎儿的皮质醇暴露上升。

在一项对181名婴儿进行的研究中，出生体重与DNA甲基化IGF2（胰岛素样生长因子2）和AHRR水平呈正相关，而与HSD11B2、WNT2的DNA甲基化呈负相关。染色体组广泛的DNA甲基化的关于生长不一致的单绒毛膜双胞胎的研究相似地表示，患IUGR后胎盘DNA甲基化存在差异。使用亚硫酸氢盐焦磷酸测序证实了三个顶级基因区，功能富集分析表明，他们参与了解剖结构和神经系统的发育。这些表观遗传盖面可能会伴随IUGR发生。孕妇在孕期抽烟与胎盘DNA甲基化改变相关，在妊娠第一阶段有母体压力知觉——后者与早产或孕妇抽烟无关。

如果DNA甲基化的改变主要发生在一种细胞中，则无法区分不同细胞中表观遗传情况。最近有一项研究评估了与婴儿行为得分相关的胎盘甲基化情况，大量CpG位点甲基化存在差异，且与婴儿的注意力、唤醒、嗜睡和运动质量相关。这些差异使分子通路过多，而这些通路参与到甾醇和胆固醇转运（婴儿唤醒）、神经递质吸收和受体内化（婴儿注意力）、树突棘的组织（嗜睡和运动质量）以及细胞突起组织（婴儿注意力与运动质量）。DNA甲基化情况与婴儿结局之间的关系没有发生变化，但唤醒有轻微的差异（在原始的2229个CpG位点中，有17个发现变化）。

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总结

胎盘是调节胎儿环境的关键组织，因此在胎盘中观察到功能变化以及基因和表观遗传多样性，可能是未来相关性最高的婴儿健康生物预测工具。这十分重要，特别是当早期临床诊断中未知（例如母亲压力暴露）宫内暴露（例如绒毛膜羊膜炎），或是在产前照料受限时。因此，对胎盘生物标记的检验可能为儿童的长期神经发育健康提供关键的证据。通过生物分子数据与临床和人口统计因素的整合，我们有可能建造一种能在出生后几天内风险分层的工具。这将能适当地分配资源，根本上旨在提高儿童一生中的神经发育能力。

参考文献：略

作者：谢佩君 温宇文 黄启涛 钟梅